如何克服量子计算中的噪声

研究人员Ludovico Lami(QuSoft，阿姆斯特丹大学)和Mark M. Wilde(康奈尔大学)通过推导出预测环境噪声影响的公式，在量子计算方面取得了重大进展。这对于设计和构建能够在我们这个不完美的世界中工作的量子计算机至关重要。

量子计算使用量子力学的原理来执行计算。与使用可以是 0 或 1 的比特的经典计算机不同，量子计算机使用量子比特或量子比特，它们可以同时处于 0 和 1 的叠加态。

这使得量子计算机能够比经典计算机更快地执行某些类型的计算。例如，量子计算机可以在经典计算机所需时间的一小部分内分解非常大的数字。

虽然人们可以天真地将这种优势归因于量子计算机并行执行大量计算的能力，但现实情况要复杂得多。量子计算机的量子波函数(代表其物理状态)具有多个分支，每个分支都有自己的相位。相位可以被认为是时钟指针的位置，它可以指向表盘上的任何方向。

在计算结束时，量子计算机将同时对波函数的不同分支进行的所有计算的结果重新组合成一个答案。“与不同分支相关的阶段在决定这种重组过程的结果方面起着关键作用，这与芭蕾舞演员的步数时间在决定芭蕾舞表演成功与否方面起着关键作用，”拉米解释说。

破坏性环境噪音

量子计算的一个重大障碍是环境噪声。这种噪音可以比作一个小恶魔，它以不可预测的方式改变波函数不同分支的相位。这种篡改量子系统相位的过程称为去相化，可能不利于量子计算的成功。

去相位可能发生在日常设备中，例如光纤，用于以光的形式传输信息。穿过光纤的光线可以采用不同的路径;由于每条路径都与特定相位相关联，因此不知道所采用的路径相当于有效的去模噪声。

在他们发表在Nature Photonics上的新出版物中，Lami和Wilde分析了一个称为玻色子去歧通道的模型，以研究噪声如何影响量子信息的传输。它表示作用于特定波长和偏振的单一模式光的衰减。

量化噪声对量子信息影响的数字是量子容量，即每次使用光纤可以安全传输的量子比特数。新出版物为所有可能形式的去相噪声计算玻色子去分通道的量子容量的问题提供了完整的解析解决方案。

较长的消息克服错误

为了克服噪声的影响，可以在消息中加入冗余，以确保量子信息仍然可以在接收端检索。这类似于在打电话时说“Alpha，Beta，Charlie”而不是“A，B，C”。尽管传输的消息较长，但冗余可确保正确理解。

这项新研究准确地量化了量子消息需要添加多少冗余，以保护其免受降噪噪声的影响。这很重要，因为它使科学家能够量化噪声对量子计算的影响，并开发克服这些影响的方法。

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